某抽水蓄能電站一管雙機(jī)水力干擾分析

唐擁軍，章 亮，王康生

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161；2.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省靖安縣 330603）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展和調(diào)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中，尤其是在可再生能源開發(fā)利用中發(fā)揮著越來越重要的作用。現(xiàn)階段我國抽水蓄能事業(yè)迎來了發(fā)展高峰期，目前已有大量的電站處于在研、在設(shè)、在建和在運(yùn)行狀態(tài)。為了節(jié)省工程投資，抽水蓄能電站普遍采用一管雙機(jī)或一管多機(jī)的布置形式，共用引水隧洞的機(jī)組間存在水力聯(lián)系，當(dāng)其中一臺機(jī)組甩負(fù)荷或大幅度增減負(fù)荷時所產(chǎn)生的沿管線壓力變化和流量變化，勢必會引起其他運(yùn)行機(jī)組工作水頭及引用流量的變化，從而對運(yùn)行機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，即形成所謂的水力干擾[1]。由于抽水蓄能機(jī)組通常具有水頭高、引水管路長、轉(zhuǎn)速快、工況轉(zhuǎn)換頻繁、淹沒深度高等特點(diǎn)，因此，抽蓄機(jī)組的過渡過程更加復(fù)雜，對機(jī)組及電站的安全威脅更大，抽水蓄能機(jī)組過渡過程成為機(jī)組及電站安全運(yùn)行所關(guān)注的重點(diǎn)[2]。電站在設(shè)計階段會進(jìn)行各種過渡工程的數(shù)值仿真計算，不過仿真計算時對模型和邊界條件進(jìn)行了一定的簡化，且計算結(jié)果不能得到各部位的壓力脈動變化情況，所以計算結(jié)果的準(zhǔn)確性需現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。考慮到對抽水蓄能機(jī)組一管雙機(jī)甩負(fù)荷研究的文獻(xiàn)已有不少，而水力干擾研究方面的文獻(xiàn)相對較少。于是本文對某抽水蓄能電站一管雙機(jī)水力干擾過程的仿真計算和現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行對比分析。

1 電站流道布置及機(jī)組基本參數(shù)

某電站裝機(jī)4臺300MW混流式抽蓄機(jī)組，機(jī)組基本參數(shù)見表1。上水庫設(shè)計洪水位734.78m，正常蓄水位733.00m，上水庫死水位716.00m，下水庫設(shè)計洪水位183.29m，下水庫正常蓄水位181.00m，下水庫死水位163.00m，引水系統(tǒng)采用兩洞四機(jī)豎井式布置，在豎井中部設(shè)置中平段，輸水道總長約為2646.80m，其中引水隧洞長1369.50m，尾水隧洞長1277.30m，尾水系統(tǒng)采用兩洞四機(jī)“一坡到頂”布置。

該機(jī)組過渡過程參數(shù)蝸殼進(jìn)口中心線上壓力最大值不大于850 m水柱，尾水管進(jìn)口壓力不少于0m水柱，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率不大于50%。

2 仿真計算

2.1 特征線法[3]

目前對于水電機(jī)組水力過渡過程的計算通常采用特征線法，其計算原理如下。

封閉管道中的瞬變流采用運(yùn)動方程和連續(xù)方程進(jìn)行描述，如下兩式所示：

上述兩方程中：H表示沿程水頭，單位為m；V表示平均速度，單位為m/s；g表示重力加速度，單位為m/s2；f表示達(dá)西—威爾巴哈摩擦系數(shù)；θ表示管道中心線與水平線上的夾角，單位為（°）；D表示管道直徑，單位為m；a表示水擊波速，單位為m/s。

表1 機(jī)組基本參數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Basic parameters of pump storage unit

引入一未知因子λ，將上述兩方程進(jìn)行線性組合得到：

根據(jù)微分法則可得：

其中，C+特征線方程適用于上游引水管路，C-特征線方程適用于下游輸水管路。

2.2 仿真結(jié)果[4]

抽蓄機(jī)組的水力過渡過程牽涉水力、機(jī)械和電氣三方面內(nèi)容，其計算模型復(fù)雜，因此多采用商用軟件進(jìn)行。該電站水力過渡過程采用SIMSEN過渡過程計算軟件進(jìn)行。利用該軟件建立的過渡過程計算模型如圖1所示。

圖1 該電站過渡過程計算模型Figure 1 Model configuration for the transient calculation of power station

水力干擾模擬作為水力過渡過程模擬計算的重要內(nèi)容，其主要目的是分析受干擾機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，該電站水力干擾模擬計算工況之一為：上庫水位725m，下庫水位174m， 1、2號機(jī)組均帶額定300MW負(fù)荷，2號機(jī)組甩負(fù)荷，1號機(jī)組作為受干擾機(jī)組。計算中2號機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉速率取值每秒2.857%，并假定受干擾1號機(jī)組額定轉(zhuǎn)速不變，活動導(dǎo)葉不動作。該工況水力干擾模擬計算得出1號機(jī)組蝸殼末端壓力最大值為704m水柱,1號機(jī)組尾水管進(jìn)口壓力最小值42m水柱，2號機(jī)組蝸殼末端壓力最大值為759m水柱,2號機(jī)組尾水管進(jìn)口壓力最小值46m水柱，滿足過渡過程壓力限值要求，此外，1號機(jī)組水輪機(jī)最大瞬時出力為額定出力的135%（發(fā)電機(jī)效率取值98%，折算出發(fā)電機(jī)出力404.8MW），持續(xù)時間2s，滿足GB/T 7894—2009中7.1.1[5]的要求。部分計算結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 1號、2號機(jī)組導(dǎo)葉開度和轉(zhuǎn)速上升率變化曲線Figure 2 Time waveform of guide vane opening and speed rise of unit 1# and unit 2#

圖3 1號、2號機(jī)組蝸殼末端壓力和尾水管進(jìn)口壓力變化曲線Figure 3 Time waveform of pressure at spiral case end and draft tube inlet of unit 1# and unit 2#

圖4 1號機(jī)組水泵水輪機(jī)出力變化曲線Figure 4 Time waveform of pump turbine output of unit 1#

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 測點(diǎn)布置及試驗(yàn)

該電站采用一管雙機(jī)布置，即1號與2號機(jī)組共用一條引水輸水管路，3號與4號機(jī)組共用一條引水輸水管路，電站整組啟動調(diào)試期間對1號與2號、3號與4號機(jī)組均進(jìn)行了水力干擾、雙機(jī)甩負(fù)荷調(diào)試試驗(yàn)，為了與上述模擬計算結(jié)果進(jìn)行比較，分析1號與2號機(jī)組的水力干擾試驗(yàn)。

1號與2號機(jī)組布置的試驗(yàn)測點(diǎn)包括有功功率、發(fā)電機(jī)斷路器（GCB）、導(dǎo)葉開度、轉(zhuǎn)速、壓力、振動及主軸擺度等測點(diǎn)。

在上庫水位729.5m、下庫水位169.6m條件下，進(jìn)行了甩100%額定負(fù)荷的水力干擾試驗(yàn)，試驗(yàn)流程為1號和2號機(jī)組均先帶100%額定負(fù)荷300MW運(yùn)行，調(diào)速器為運(yùn)行時常用的功率模式，在運(yùn)行一段時間振擺數(shù)據(jù)穩(wěn)定且試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連續(xù)錄波啟動后，分2號機(jī)組GCB甩負(fù)荷，記錄各參數(shù)并觀測1號機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

水力干擾試驗(yàn)過程1號、2號機(jī)組關(guān)鍵參數(shù)統(tǒng)計如表2所示，1、2號機(jī)組有功功率、導(dǎo)葉開度、轉(zhuǎn)速、蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管進(jìn)口壓力變化曲線如圖5~圖8所示。

表2 水力干擾試驗(yàn)過程1、2號機(jī)組關(guān)鍵參數(shù)統(tǒng)計表Table 2 Statics of key parameters of unit 1# and 2# in hydraulic disturbance field test

圖5 1號機(jī)組有功功率、導(dǎo)葉開度、轉(zhuǎn)速變化曲線Figure5 Time waveform of active power,guide vane opening and rotating speed of unit 1#

圖6 1號機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管進(jìn)口壓力變化曲線Figure6 Time waveform of spiral case inlet and draft tube inlet pressure of unit 1#

圖7 2號機(jī)組有功功率、導(dǎo)葉開度、轉(zhuǎn)速變化曲線Figure 7 Time waveform of active power,guide vane opening and rotating speed of unit 2#

圖8 2號機(jī)組蝸殼進(jìn)口、尾水管進(jìn)口壓力變化曲線Figure 8 Time waveform of spiral case inlet and draft tube inlet pressure of unit 2#

該水力干擾試驗(yàn)過程，1號機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力最大值7.000MPa（714.3m水柱），尾水管進(jìn)口壓力最小值0.398MPa（40.6m水柱），機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在100%額定轉(zhuǎn)速，未見明顯波動；2號機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力最大值7.713MPa（787.0m水柱），尾水管進(jìn)口壓力最小值0.164MPa（16.7m水柱），轉(zhuǎn)速上升率32.5%，上述指標(biāo)滿足設(shè)計要求。1號機(jī)組發(fā)電機(jī)最大出力376.1MW，上升率為25.4%，持續(xù)時間小于0.1s，滿足GB/T 7894—2009中7.1.1的要求。此外，1號機(jī)組的振動擺度幅值增幅不大，各輔助系統(tǒng)運(yùn)行正常。可見，2號機(jī)組甩負(fù)荷對1號機(jī)組產(chǎn)生了一定的影響，但1號機(jī)組仍能保持安全穩(wěn)定運(yùn)行，水力干擾試驗(yàn)成功。

與模擬計算結(jié)果相比較，1號機(jī)組實(shí)測蝸殼壓力最大值、尾水管進(jìn)口壓力最小值與模擬計算結(jié)果基本一致，2號機(jī)組實(shí)測蝸殼壓力最大值比模擬計算結(jié)果稍大，尾水管進(jìn)口壓力最小值比模擬計算結(jié)果偏小，這可能與模擬計算不能算出壓力脈動，而結(jié)果修正時計入的壓力脈動量偏小有關(guān)。1號機(jī)組發(fā)電機(jī)出力實(shí)測值376.1MW比模擬計算結(jié)果404.8MW要小，這與模擬計算時假定導(dǎo)葉開度不變，而試驗(yàn)時調(diào)速器處于功率模式有關(guān)。當(dāng)調(diào)速器處于功率模式時，是以有功功率信號作為反饋信號，若功率反饋值與設(shè)定值存在偏差，則會相應(yīng)地調(diào)整導(dǎo)葉開度。2號機(jī)組GCB分閘甩負(fù)荷后，導(dǎo)葉快速關(guān)閉導(dǎo)致蝸殼進(jìn)口出現(xiàn)水錘壓力波，水錘壓力波向上游壓力鋼管傳播，由于1號與2號機(jī)組采用一管雙機(jī)布置，1號機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力增大，導(dǎo)致水泵水輪機(jī)的工作水頭上升，水泵水輪機(jī)的出力也上升，也即發(fā)電機(jī)出力增大，因?yàn)?號機(jī)組調(diào)速器處于功率模式，此時導(dǎo)葉會相應(yīng)關(guān)閉，因此，1號機(jī)組蝸殼進(jìn)口壓力出現(xiàn)最大值時，因?yàn)閷?dǎo)葉開度的減小，從而使得發(fā)電機(jī)最大出力值比模擬計算值要小。此外，1號發(fā)電機(jī)出力第二次峰值與壓力鋼管的調(diào)壓井有關(guān)，若沒有調(diào)壓井則1號發(fā)電機(jī)出力最大值肯定要比實(shí)測值要大得多。還有，1號發(fā)電機(jī)出力最大值與運(yùn)行水頭和2號機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律有關(guān)。這些對發(fā)電機(jī)過負(fù)荷保護(hù)的定值設(shè)置提高了要求[6]，既要避免發(fā)電機(jī)定子電流過大損害發(fā)電機(jī)，又要避免1號機(jī)組輕易發(fā)生非計劃停機(jī)。

4 結(jié)論

（1）介紹了水電機(jī)組過渡過程計算常用的特征線法，針對某抽水蓄能電站一管雙機(jī)水力干擾模擬計算結(jié)果和真機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩臺機(jī)組的蝸殼進(jìn)口壓力最大值、尾水管進(jìn)口壓力最小值、轉(zhuǎn)速上升率等滿足設(shè)計要求，發(fā)電機(jī)最大出力滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。2號機(jī)組甩負(fù)荷對1號機(jī)組產(chǎn)生了一定的影響，但1號機(jī)組仍能保持安全穩(wěn)定運(yùn)行，水力干擾試驗(yàn)成功。

（2）該電站水力干擾試驗(yàn)的方法和結(jié)果可為其他抽水蓄能電站開展類似試驗(yàn)時提供參考借鑒。

（3）該電站模擬計算結(jié)果用來校核機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性是可信的，該電站過渡過程計算模型的建立和計算方法可以為校核新建電站的設(shè)計及已投運(yùn)機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性提供技術(shù)參考。